Аналіз особливостей розробки газогідратних покладів при застосуванні елементів технології свердловинного гідровидобутку
Мета. Обґрунтування і розроблення принципової схеми, прийнятної для існуючого рівня техніки, способу видобування газових гідратів морських родовищ. Результати. Обґрунтовано основні процеси способу вилучення газогідрату із продуктивного пласта без витрати енергії на фазовий перехід на основі технолог...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Розробка родовищ |
|---|---|
| Дата: | 2017 |
| Автори: | , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Ukrainian |
| Опубліковано: |
УкрНДМІ НАН України, Інститут геотехнічної механіки НАН України
2017
|
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/145693 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Аналіз особливостей розробки газогідратних покладів при застосуванні елементів технології свердловинного гідровидобутку / М. Педченко, Л. Педченко // Розробка родовищ: Зб. наук. пр. — 2017. — Т. 11, вип. 2. — С. 52-58. — Бібліогр.: 16 назв. — укр. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-145693 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Педченко, М. Педченко, Л. 2019-01-26T13:54:58Z 2019-01-26T13:54:58Z 2017 Аналіз особливостей розробки газогідратних покладів при застосуванні елементів технології свердловинного гідровидобутку / М. Педченко, Л. Педченко // Розробка родовищ: Зб. наук. пр. — 2017. — Т. 11, вип. 2. — С. 52-58. — Бібліогр.: 16 назв. — укр. 2415-3435 DOI: https://doi.org/10.15407/mining11.02.052 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/145693 622.273:548.562 Мета. Обґрунтування і розроблення принципової схеми, прийнятної для існуючого рівня техніки, способу видобування газових гідратів морських родовищ. Результати. Обґрунтовано основні процеси способу вилучення газогідрату із продуктивного пласта без витрати енергії на фазовий перехід на основі технології свердловинного гідровидобутку. Цель. Обоснование и разработка принципиальной схемы, приемлемой для существующего уровня техники, способа добычи газовых гидратов морских месторождений. Результаты. Обоснованы основные процессы способа извлечения газогидрата из продуктивного пласта без затрат энергии на фазовый переход на основе технологии скважинной гидродобычи.+ Purpose. To substantiate and develop the principal schematics suitable for the existing technological level and method of gas hydrates production from the offshore fields. Findings. Basic processes related to the method of gas hydrate extraction from the productive stratum without energy consumption for phase transition on the basis of the hydraulic borehole mining technology are substantiated. Дана робота стала можливою завдяки фінансовій та організаційній підтримці в межах державних бюджетних науково-дослідних робіт Міністерства освіти і науки України “Застосування газогідратних технологій при розробці традиційних і газогідратних родовищ газу” (№ держреєстрації 0113U00857) та “Дослідження впливу термодинамічних параметрів фазових переходів у системах із газовими гідратами на ефективність газогідратних технологій” (№ держреєстрації 0115U002420). Автори роботи висловлюють свою подяку керівнику даних проектів – доктору технічних наук, професору, завідувачу кафедри підземної розробки родовищ Національного гірничого університету (м. Дніпро) Бондаренку Володимиру Іллічу за підтримку у проведенні досліджень. uk УкрНДМІ НАН України, Інститут геотехнічної механіки НАН України Розробка родовищ Аналіз особливостей розробки газогідратних покладів при застосуванні елементів технології свердловинного гідровидобутку Анализ особенностей разработки газогидратных залежей при применении элементов технологии скважинной гидродобычи Analysis of gas hydrate deposits development by applying elements of hydraulic borehole mining technology Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Аналіз особливостей розробки газогідратних покладів при застосуванні елементів технології свердловинного гідровидобутку |
| spellingShingle |
Аналіз особливостей розробки газогідратних покладів при застосуванні елементів технології свердловинного гідровидобутку Педченко, М. Педченко, Л. |
| title_short |
Аналіз особливостей розробки газогідратних покладів при застосуванні елементів технології свердловинного гідровидобутку |
| title_full |
Аналіз особливостей розробки газогідратних покладів при застосуванні елементів технології свердловинного гідровидобутку |
| title_fullStr |
Аналіз особливостей розробки газогідратних покладів при застосуванні елементів технології свердловинного гідровидобутку |
| title_full_unstemmed |
Аналіз особливостей розробки газогідратних покладів при застосуванні елементів технології свердловинного гідровидобутку |
| title_sort |
аналіз особливостей розробки газогідратних покладів при застосуванні елементів технології свердловинного гідровидобутку |
| author |
Педченко, М. Педченко, Л. |
| author_facet |
Педченко, М. Педченко, Л. |
| publishDate |
2017 |
| language |
Ukrainian |
| container_title |
Розробка родовищ |
| publisher |
УкрНДМІ НАН України, Інститут геотехнічної механіки НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Анализ особенностей разработки газогидратных залежей при применении элементов технологии скважинной гидродобычи Analysis of gas hydrate deposits development by applying elements of hydraulic borehole mining technology |
| description |
Мета. Обґрунтування і розроблення принципової схеми, прийнятної для існуючого рівня техніки, способу видобування газових гідратів морських родовищ. Результати. Обґрунтовано основні процеси способу вилучення газогідрату із продуктивного пласта без витрати енергії на фазовий перехід на основі технології свердловинного гідровидобутку.
Цель. Обоснование и разработка принципиальной схемы, приемлемой для существующего уровня техники, способа добычи газовых гидратов морских месторождений. Результаты. Обоснованы основные процессы способа извлечения газогидрата из продуктивного пласта без затрат энергии на фазовый переход на основе технологии скважинной гидродобычи.+
Purpose. To substantiate and develop the principal schematics suitable for the existing technological level and method of gas hydrates production from the offshore fields. Findings. Basic processes related to the method of gas hydrate extraction from the productive stratum without energy consumption for phase transition on the basis of the hydraulic borehole mining technology are substantiated.
Дана робота стала можливою завдяки фінансовій та організаційній підтримці в межах державних бюджетних науково-дослідних робіт Міністерства освіти і науки України “Застосування газогідратних технологій при розробці традиційних і газогідратних родовищ газу” (№ держреєстрації 0113U00857) та “Дослідження впливу термодинамічних параметрів фазових переходів у системах із газовими гідратами на ефективність газогідратних технологій” (№ держреєстрації 0115U002420). Автори роботи висловлюють свою подяку керівнику даних проектів – доктору технічних наук, професору, завідувачу кафедри підземної розробки родовищ Національного гірничого університету (м. Дніпро) Бондаренку Володимиру Іллічу за підтримку у проведенні досліджень.
|
| issn |
2415-3435 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/145693 |
| citation_txt |
Аналіз особливостей розробки газогідратних покладів при застосуванні елементів технології свердловинного гідровидобутку / М. Педченко, Л. Педченко // Розробка родовищ: Зб. наук. пр. — 2017. — Т. 11, вип. 2. — С. 52-58. — Бібліогр.: 16 назв. — укр. |
| work_keys_str_mv |
AT pedčenkom analízosoblivosteirozrobkigazogídratnihpokladívprizastosuvanníelementívtehnologíísverdlovinnogogídrovidobutku AT pedčenkol analízosoblivosteirozrobkigazogídratnihpokladívprizastosuvanníelementívtehnologíísverdlovinnogogídrovidobutku AT pedčenkom analizosobennosteirazrabotkigazogidratnyhzaležeipriprimeneniiélementovtehnologiiskvažinnoigidrodobyči AT pedčenkol analizosobennosteirazrabotkigazogidratnyhzaležeipriprimeneniiélementovtehnologiiskvažinnoigidrodobyči AT pedčenkom analysisofgashydratedepositsdevelopmentbyapplyingelementsofhydraulicboreholeminingtechnology AT pedčenkol analysisofgashydratedepositsdevelopmentbyapplyingelementsofhydraulicboreholeminingtechnology |
| first_indexed |
2025-11-24T02:38:51Z |
| last_indexed |
2025-11-24T02:38:51Z |
| _version_ |
1850836965634605056 |
| fulltext |
Founded in
1900
National Mining
University
Mining of Mineral Deposits
ISSN 2415-3443 (Online) | ISSN 2415-3435 (Print)
Journal homepage http://mining.in.ua
Volume 11 (2017), Issue 2, pp. 52-58
52
UDC 622.273:548.562 https://doi.org/10.15407/mining11.02.052
АНАЛІЗ ОСОБЛИВОСТЕЙ РОЗРОБКИ ГАЗОГІДРАТНИХ ПОКЛАДІВ
ПРИ ЗАСТОСУВАННІ ЕЛЕМЕНТІВ ТЕХНОЛОГІЇ
СВЕРДЛОВИННОГО ГІДРОВИДОБУТКУ
М. Педченко1*, Л. Педченко1
1Кафедра видобування нафти і газу та геотехніки, Полтавський національній технічний університет ім. Ю. Кондратюка,
Полтава, Україна
*Відповідальний автор: e-mail pedchenkomm@ukr.net, тел. +380975905244
ANALYSIS OF GAS HYDRATE DEPOSITS DEVELOPMENT BY APPLYING
ELEMENTS OF HYDRAULIC BOREHOLE MINING TECHNOLOGY
М. Pedchenko1*, L. Pedchenko1
1Department of Oil and Gas Exploitation and Geotechnics, Poltava National Technical Yuri Kondratyuk University, Poltava, Ukraine
*Corresponding author: e-mail pedchenkomm@ukr.net, tel. +380975905244
ABSTRACT
Purpose. To substantiate and develop the principal schematics suitable for the existing technological level and meth-
od of gas hydrates production from the offshore fields.
Methods. Analysis of properties inherent to gas hydrates and gas hydrate deposits and research into peculiarities of
the technological operations of the hydraulic borehole mining.
Findings. Basic processes related to the method of gas hydrate extraction from the productive stratum without ener-
gy consumption for phase transition on the basis of the hydraulic borehole mining technology are substantiated.
Originality. The research provided rationale for manifestation of the group of factors involved in the process of
immersed jets action on the gas hydrate in conditions of its natural occurrence. It was confirmed that gas hydrates can
be extracted from the productive stratum without energy consumption for dissociation, by creating conditions for
their recrystallization as a result of joint impact produced by immersed jets of sea water and a complex of related
processes. Theoretical justification is given to the physical fundamentals of the processes associated with gas hy-
drates enrichment and concentration in the mine working.
Practical implications. Technology for the development of gas hydrate deposits on the basis of hydraulic borehole
mining without energy consumption for the phase transition is proposed.
Keywords: hydraulic borehole mining, gas hydrate stratum, dissociation, concentration, phase transition
1. ВСТУП
Тенденція тривалого виснаження світових запасів
традиційних видів палива актуалізувала для світового
співтовариства проблему подальшого вивчення ресу-
рсного потенціалу океанічних гідратів метану та їх
застосування для отримання вуглеводневого газу.
Сьогодні морські газогідрати визнані фахівцями най-
перспективнішим альтернативним паливом у багатьох
країнах. Протягом останніх років інтерес до проблеми
газових гідратів у всьому світі значно посилився і їх
дослідно-промислове освоєння уже розпочалося.
Газові гідрати, звичайно, не лежать суцільним ки-
лимом у межах зони гідратоутворення – відповідної
температури і тиску недостатньо. Необхідний висо-
кий уміст органічної речовини в осадових породах
(від 0.5 – 4.0% і вище), активна генерація й міграція
вуглеводнів у зону утворення гідрату. Однак за попе-
редніми оцінками загальні об’єми метану, накопичені
в природних гідратах Світового океану, оцінюються
на рівні 2.1∙1016 м3 (Kvenvolden, 1993).
Величезні перспективні поклади газогідратів ви-
явлені в межах полярних акваторій на глибинах вод
від 200 м, у районах Атлантичного, Індійського та
Тихого океанів – на глибинах від 500 – 700 м. Тільки
в межах Мексиканської затоки виявлено більше
70 покладів газогідратів. В акваторії Австралії, в рай-
оні Нової Каледонії, сейсмічна розвідка виявила пок-
лад газогідратів загальною площею більше 80 тис. км2
на глибині води від 1 до 4 км. Запаси газу в стані
гідратів тут можуть бути від 20 до 200 трлн м3.
Виходячи із відомих на сьогодні даних, підводні га-
зові гідрати можуть утворювати скупчення двох типів:
першого – знаходяться на значній піддонній глибині
М. Pedchenko, L. Pedchenko. (2017). Mining of Mineral Deposits, 11(2), 52-58
53
(сотні метрів) і контролюються зонами проникності в
умовах розосередженої фільтрації флюїдів; другого –
розташовані в безпосередній близькості від дна моря,
на дні або на дуже незначній піддонній глибині (перші
метри) (Bondarenko, Sai, Ganushevych, & Ovchynnikov,
2015). Гідрати у своїй більшості присутні в грубозер-
нистих осадових відкладах, проте під час виконання
досліджень гідрати також виявлено і в дрібнозернистих
відкладах у вигляді невеликих прошарків, лінз і тон-
ких, майже вертикальних жил. Так, наприклад, при
дослідженні свердловини NGHP-01-10 виявлено поту-
жний інтервал тріщинуватих глин, уміст гідратів у
яких є одним з найвищих у світі (Collett, 2014).
Найбільше в світі мономінеральне лінзовидне га-
зогідратне тіло розкрито свердловиною №84 Проекту
глибокого морського буріння. Маючи товщину бли-
зько 4 – 5 м, воно містить усього 5 – 7% породних
включень і залягає в 15-метровому гідратоносному
горизонті, підошва якого розташована 240 – 255 м
нижче дна в центральноамериканському глибоковод-
ному жолобі біля Гватемали. З іншої свердловини,
пробуреної в тому ж жолобі, але біля Коста-Ріки,
піднятий 9-метровий керн вулканічного попелу, зце-
ментованого гідратами. Пористість керну складає
62%, простір якої заповнений метаногідратами. Цей
попіл залягає у 236-метровій товщі газогідрату, сере-
дня пористість якої 60.1% (Takahashi & Tsuji, 2004).
Існує два підходи до розробки газогідратних
покладів (патенти US 4424866, WO 2007/136485,
US 20050161217, US 6192691, US 8232438, US 8783364,
US 20100048963, US 8201626, US 20080236820 та ін.):
1) вилучення гідрату без витрати енергії на фазовий
перехід. Прикладом є різні варіанти кар’єрного спосо-
бу. Однак на глибинах залягання гідрату рентабельне
великотоннажне виробництво буде проблематичним;
2) вилучення вільного газу після дисоціації гідра-
ту в пласті.
Плавлення газогідрату пропонується здійснювати
наступними способами:
– зниженням тиску нижче за рівноважний гідра-
тоутворення;
– підвищенням температури (нагрів гідратовміс-
них порід до температури, вищої за рівноважну);
– зміщенням умов фазової рівноваги у бік більш
жорстких (введенням інгібіторів);
– комбінуванням перелічених вище способів.
Нині відомо ряд теплових способів розробки газо-
гідратних покладів. Так, у патенті US 6192691 про-
понується під купол для збору газу, встановленим
над придонним скупченням газогідрату, закачувати
гарячу воду. У заявці US 20050161217 запропоновано
здійснювати електричний підігрів продуктивного
пласта та вилучати газ, що виділився, по видобувній
свердловині. Проте недоліком теплових методів роз-
робки газогідратних покладів є значні енергетичні
витрати. Так, крім порівняно незначних енерговитрат
на дисоціацію газогідрату (близько 7% від енергії
згорання видобутого газу), значна їх частина піде на
розігрів породи. Крім того, виходячи з теплофізичних
властивостей порід і газогідрату, зона теплової дії в
пласті буде обмежена кількома метрами.
З точки зору енергетичних витрат найбільш при-
йнятним є зниження пластового тиску нижче за рів-
новажний з подальшим відбором вільного газу. На-
приклад, у заявці WO 2007/072172 зниження тиску
забезпечується за рахунок відкачування газу з нижніх
горизонтів. Проте такий спосіб є прийнятним лише
для пластів, де насиченість гідратами незначна, а газ
або вода не втратили свою рухливість. Звичайно, при
збільшенні гідратонасичення (а отже, зменшенні про-
никності) ефективність такого способу різко падає.
Інший недолік цього способу пов’язаний із вто-
ринним гідратоутворенням у привибійній зоні вна-
слідок ефекту Джоуля-Томсона та проявом ефекту
самоконсервації гідрату в пласті. Процес ускладню-
ється ще й тим, що породи з умістом гідрату більше
ніж 60% є фактично непроникними для газу (Basniev,
Kul’chitskiy, Shchebetov, & Nifantov, 2006). У резуль-
таті газогідратний пласт на тривалий час “надійно
консервується” шаром льоду.
Крім того, проникність по газу гідратонасичених
порід на два, три і більше порядків нижча за проник-
ність зразків, не насичених гідратами (Beznosikov &
Maslov, 1975).
Газові гідрати також можуть виконувати функцію
“цементу” для частинок породи. У такому випадку
дисоціація гідрату призведе до аномально високої
пористості, виділення великих мас води та істотного
зниження міцності осадових порід (Kvenvolden,
1993). Тому плавлення газогідрату внаслідок знижен-
ня тиску, підвищення температури або введення інгі-
біторів може призвести до перетворення порід у пере-
зволожену масу із включенням бульбашок газу. Ство-
рення депресії для вилучення газу призведе до вине-
сення у свердловину разом із водою і газом значної
кількості породи, унеможливлюючи її експлуатацію.
Аналізуючи інформацію щодо початку практич-
ної реалізації проекту розробки газогідратних покла-
дів біля берегів Японії, можна зробити висновок, що
саме цей процес призвів до завчасного припинення
експерименту щодо отримання газу з газогідратного
пласта способом його розгерметизації (було зафіксо-
вано значний виніс породи зі свердловини і закупо-
рювання нею сепараційного обладнання).
Способи, наведені в заявках US 2008/0088171,
WO 00/47832 і RU 2004106857/03, передбачають
кар’єрну розробку придонних газогідратних покладів
шляхом їхнього механічного руйнування. Однак їх
упровадження ускладнить той факт, що поверхня зон
розвантаження газу, до яких приурочені придонні
поклади газогідрату, переважно вкрита шаром відкла-
дів (часто вони зустрічаються, починаючи з глибини
0.4 – 2.2 м (Shnyukov, Gozhik, Krayushkin, & Klochko,
2007)). Крім того, такі методи будуть ефективними
лише за умови значного вмісту газогідрату в породі.
На сьогодні не існує ефективного, з технологічної
й економічної точок зору, способу розробки покладів
газових гідратів. Розроблення промислово прийнят-
ного способу видобування газу із морських газогід-
ратних покладів вимагає максимального зниження
енерговитрат на його здійснення на основі комплекс-
ного врахування теплофізичних властивостей і пара-
метрів елементів системи в межах покладу, що розро-
бляється, та існуючого рівня техніки. На сучасному
етапі ця проблема досліджена недостатньо.
М. Pedchenko, L. Pedchenko. (2017). Mining of Mineral Deposits, 11(2), 52-58
54
2. ОСНОВНА ЧАСТИНА
Метою дослідження є обґрунтування перспектив
застосування, аналіз і удосконалення комбінованого
способу розробки морських газогідратних покладів на
основі технології свердловинного гідровидобутку.
У гірництві добре відома фізико-хімічна техноло-
гія свердловинного гідровидобутку (СГВ) корисних
копалин, в якій гідравлічна енергія, що підводиться
до покладу після розкриття його свердловиною, ви-
користовується для розущільнення породи в місці її
залягання шляхом переведення в рухомий стан за
допомогою гідромоніторного струменя, приготуван-
ня гідросуміші (пульпи) і вилучення її на поверхню
(Arens et al., 2007).
Механізм гідравлічного руйнування гірських по-
рід є складним процесом, обумовленим одночасною
дією ряду чинників, до яких можна віднести норма-
льне і дотичне напруження при дії струменя на ма-
сив, динамічну ударну дію, фільтраційний тиск, аб-
разивну дію і т.д. (Rehbinder, 1980).
Проникаючи в масив за рахунок фільтрації по по-
рах і тріщинах, вода знижує міцність порід (Rehbinder,
1980), викликає місцеві гідророзриви і руйнування, що
необхідно враховувати при вивченні механізму подрі-
бнення конкретного масиву введенням відповідних
коефіцієнтів, корегуючи наведену залежність. Однак у
процесі руху струменів у багатофазних системах (во-
да, тверді включення, газ) виникають явища настільки
складні, що на сьогодні не існує достатньо надійних
способів їх аналітичного визначення.
Також не знайдена загальна аналітична залеж-
ність сили дії струменя на перешкоду. Тому най-
більш точні дані можна отримати при проведенні
подальших експериментальних досліджень.
Технологічні процеси свердловинного гідровидо-
бутку тісно взаємозв’язані між собою і у своїй суку-
пності являють рішення складної задачі – поєднання
різноструктурних процесів в єдиний технологічний
цикл видобутку корисних копалин через свердловини
з урахуванням різних гірничо-геологічних вимог до
процесу гідровидобутку.
Гідродинамічна дія на межі “порода – флюїд” су-
проводжується процесами масовіддачі, які характе-
ризують швидкість гідровидобутку. При гідродина-
мічній дії на газогідрат у продуктивному пласті, ок-
рім його гідродинамічного і механічного руйнуван-
ням, відбуваються (можуть відбуватися) фізико-
хімічні процеси його дисоціації і перекристалізації.
Коефіцієнт масовіддачі при цьому визначає зага-
льну величину переміщення міжфазної межі углиб
масиву за одиницю часу при прояві різних механізмів
перенесення маси за різних умов контакту фаз (моле-
кулярна дифузія, конвективне перенесення, перене-
сення при дії на поверхню породи самоорганізованих
гідродинамічних вихрових структур, перенесення
при розчиненні частини газу і солей у воді, що пода-
ється гідромонітором).
Гідроабразивний ефект. На зрізі насадки гідро-
монітора витрата струменя рівна подачі насосів. У
міру віддалення від насадки витрата струменя збіль-
шується за рахунок приєднаної маси рідини ззовні.
Таке можливе тільки в тому випадку, якщо основна
маса рідини знаходиться в постійній циркуляції,
багато разів виходячи зі струменя і повертаючись у
струмінь, наприклад після удару об забій. Встановле-
но, що перед зустріччю із забоєм витрата струменя
більш ніж у 4 рази перевищує початкову витрату.
Однак маса води, що приєднується до струменя
ззовні, у своєму складі неодмінно буде містити якусь
частину твердих включень подрібненої породи і газо-
гідрату. Внаслідок цього гірський масив буде додат-
ково піддаватись абразивній дії твердої фази.
Як відомо, гідроабразивне руйнування гірських
порід ґрунтується на безперервній сумісній дії висо-
кошвидкісних струменів води й абразивних частинок.
У результаті такої дії в породі утворюється щілина
певної глибини і ширини. Причому глибина щілини в
цьому випадку у 5 – 8 разів перевищує глибину щі-
лини, утвореної струменями води без додавання аб-
разивного компонента.
Дисипація енергії. Потенційна енергія води в на-
садці перетвориться в кінетичну. Сила дії затоплено-
го струменя гідромонітора у міру її розповсюдження
в масі навколишньої рідини інтенсивно знижується
(Helgerud, 2001). Тому визначальним параметром у
фізичному механізмі передачі енергії від струменя до
породи є відстань від сопла до породи.
Вода біля дна океанів і глибоких морів має темпе-
ратуру не вище 1 – 4°C, і тиск від 10 до 50 МПа. Фо-
рмування за таких умов гідрату метану впливає на
його енергощільність (теплотворну здатність, тепло-
ємність), яка складає 747458 ккал/м3, що в 73 рази
більше енергощільності газоподібного метану
(Lowrie & Max, 1999).
Відомо, що досить значними є втрати енергії по-
току гідромоніторного струменя у результаті її диси-
пації. Ці втрати суттєво впливають на ККД процесу
гідравлічного руйнування породи. Однак при видо-
буванні способом свердловинного гідровидобутку
газових гідратів передбачається, що дисипація енергії
струменя навпаки буде позитивно впливати на ефек-
тивність процесу дезінтеграції продуктивного пласта.
Окрім підвищення температури робочої рідини
(води) у результаті дисипації енергії в насосах і тру-
бопровідній системі, частина енергії перетвориться
на тепло у момент удару струменя об породу. На
межі руйнування утвориться аномальна зона розігрі-
ву. Однак ця зона буде досить локальною (передбача-
ється, що вона буде обмежена шаром породи у кілька
міліметрів і діаметром порядку десятих метра).
Як випливає із Рисунка 1, поклади газових гідратів
накопичуються в інтервалі 8 між верхньою і нижньою
межею їх стабільності (лінії 2 і 9). Ці межі проходять
через точки перетину кривих геотермічного градієнта
(крива 5) і рівноважних параметрів стабільності гідра-
ту даного складу (крива 3). Газовий гідрат у покладі
знаходиться при певному рівні переохолодження
(інтервал 6), максимум якого знаходиться у верхній
частині інтервалу гідратонакопичення (інтервал 8).
Застосування теплових методів видобування газо-
вих гідратів передбачає спочатку витрату енергії на
підвищення температури продуктивного пласта до
рівноважної для відповідного тиску (на величину пе-
реохолодження), а потім на їх плавлення. Цей процес
(можливо частково або фрагментарно) буде відбува-
тись і в локальних зонах розігріву фронту руйнування.
М. Pedchenko, L. Pedchenko. (2017). Mining of Mineral Deposits, 11(2), 52-58
55
Рисунок 1. Схема зони можливого утворення газогідрат-
них покладів: 1 – рівень моря; 2 – верхня межа
стабільності газогідрату; 3 – рівноважна кри-
ва стабільності газогідрату; 4 – рівноважна
крива стабільності газогідрату з урахуванням
впливу солей морської води; 5 – геотермічний
градієнт; 6 – рівень переохолодження газогі-
драту в пластових умовах; 7 – дно моря;
8 – інтервал можливого гідратонакопичення;
9 – нижня межа стабільності газогідрату
Виходячи із кількості привнесеної в таку зону те-
плової енергії можливі варіанти зменшення рівня
переохолодження гідрату, позитивним наслідком
якого буде різке зменшення його механічної міцності
(Helgerud, 2001), або дисоціації якоїсь частини гідра-
ту з виділення газової фази і води.
Однак за межами цієї зони, відповідно до закону
збереження енергії, після теплообміну продуктів руй-
нування породи з водогідратомінеральною пульпою
спостерігатиметься зворотний процес – зв’язування
вільного газу в гідрат і подальше його переохоло-
дження відповідно до теплового балансу системи.
Таким чином, перетворення частини енергії стру-
меня у теплову у випадку розробки газогідратних
покладів не просто не знизить ефективність процесу
гідровидобутку, а, можливо, викличе синергетичний
ефект сумісної дії кількох чинників. Виходячи з цьо-
го, доцільно буде передбачити можливість цілеспря-
мованого привнесення додаткової теплової енергії в
зону руйнування породи.
Вплив морської води. Урахування потребує ще
один чинник, який у випадку свердловинного гідрови-
добутку газових гідратів створить суттєвий позитив-
ний вплив на ефективність процесу, – це морська вода
як робоча породоруйнівна рідина. По-перше, в тепло-
вому балансі процесу необхідно врахувати відмінність
температури води у місці її забору (поблизу морського
дна) і продуктивного пласта (Рис. 1). По-друге, необ-
хідно врахувати позитивний вплив розчинених у мор-
ській воді солей – інгібіторів гідратоутворення, які
змістять рівноважні умови стабільності газогідрату у
бік більш жорстких (крива 4 на Рис. 1).
Таким чином, при застосуванні елементів техно-
логії свердловинного гідровидобутку для розробки
газогідратних покладів ефективність “класичних”
процесів руйнування породи високонапірним стру-
менем води може значно зрости внаслідок зміщення
рівноважних параметрів стабільності газогідрату під
впливом солей морської води, теплової енергії мор-
ської води (якщо її температура буде вища за пласто-
ву) і дисипації частини енергії високонапірного
струменя. Завдяки цьому на межі масиву і вироблен-
ня, як мінімум, знизиться міцність газогідрату або
відбуватиметься дисоціація його частини. Виділення
газової фази призведе до утворення локальних зон
підвищеного тиску в тонкому шарі біля вільної пове-
рхні. Руйнування цього шару з середини і викидання
уламків породи й бульбашок газу у бік виробленого
простору поряд з дією інших чинників значно підси-
лить процес дезінтеграції породи.
Беручи до уваги описаний вище процес і те, що
газогідрат у шарі осадової породи може виконувати
функції її скелета, можна припустити, що швидкість
гідравлічного руйнування породи із газогідратом
буде значно вищою порівняно з породою без газогід-
рату. Такий процес масовіддачі можна розглядати як
комбіноване газодинамічне явище.
Фазова рівновага. Виходячи із параметрів морсь-
кої води, рівня дисипації енергії високонапірного
потоку й ентальпії дисоціації гідрату метану, виді-
лення газу в зоні руйнування породи буде незначним.
На деякій відстані за зоною руйнування прагнення
системи до рівноваги стимулюватиме зворотний
процес – гідратоутворення (віддалившись від фронту
руйнування продукти дисоціації, – газ і вода знову
потраплять у зону термобаричних параметрів гідра-
тоутворення), а отже, гідравлічне руйнування буде
супроводжуватись перекристалізацією якоїсь части-
ни газогідрату.
Крім того, виходячи із властивостей газових гід-
ратів, об’єм газової шапки в склепінні герметизованої
виробки не буде збільшуватись вище певного рівня
оскільки після підвищення тиску до рівноважного
гідратоутворення всі наступні порції газу будуть
швидко зв’язані в гідрат (усі необхідні передумови
для цього (баланс енергії, площа контакту фаз, наяв-
ність у надлишку води) виконуватимуться.
Перекристалізація і збагачення. Виходячи зі
щільності компонентів утвореної у виробці суміші,
на деякій відстані за зоною руйнування (починаючи з
відстані, де вплив турбулентного перемішування
буде незначним) за рахунок гравітаційного розділен-
ня відбуватиметься випадіння в осад породних вклю-
чень, а частинки газогідрату (природного і перекрис-
талізованого) й бульбашки газу із зони дисоціації
рухатимуться до склепінної частини виробки.
Як відомо, газові гідрати являють собою каркас
“господаря” із молекул води і молекул гідратоутво-
рюючого газу. Така їх будова проявляється у властиво-
сті витіснення із гідратного каркаса будь-яких домішок
(у тому числі і іонів розчинених солей) та найшла своє
застосування, наприклад, у технологіях газогідратного
опріснення води й концентрування розчинів.
Хоча, як показали експерименти, на макрорівні
при інтенсивному гідратоутворенні можливе захоп-
лення між кристалами гідрату краплин води і рідких
вуглеводнів, а також твердих породних включень.
Проте експерименти також показали, що при утво-
ренні гідрату за умов, близьких до рівноважних, і при
М. Pedchenko, L. Pedchenko. (2017). Mining of Mineral Deposits, 11(2), 52-58
56
надлишку води в реакторі (аналогічно до ситуації,
котра, як передбачається, буде спостерігатись у виро-
бці) адгезії гідрату до елементів обладнання не спос-
терігалось. Тому можна прогнозувати, що, “відокре-
мившись” від частинок породи у результаті дисоціації
в зоні руйнування та перекристалізувавшись в іншо-
му місці (оскільки процеси дисоціації і гідратоутво-
рення будуть рознесені просторово), гідрат буде міс-
тити мінімальну кількість мінеральних включень.
Отже, в процесі масовіддачі від гідратонасичено-
го пласта відділятиметься газогідрат, порода і газ.
Залежно від стратифікації пульпи, що утворилася,
важкі частинки породи спускатимуться на дно виро-
бки, а більш легкі (газогідрат, агломерат газогідрату і
породи у різному співвідношенні, бульбашки газу)
спливатимуть до її крівлі. Таким чином, ще у виробці
буде відбуватись процес первинного (або основного)
збагачення утвореної пульпи по цільовому продукту.
Зважаючи на те, що щільність гідрату метану де-
що нижча щільності води, частина мінеральних
включень відділиться в осад, але інша частина відді-
леного від масиву гідрату все ж буде зв’язана з поро-
дою. Виходячи із попередніх розрахунків, щільність
водогідратомінеральної пульпи, яка вилучатиметься
із виробки, лежатиме в межах 1050 – 1150 кг/м3.
Ураховуючи наведене вище обґрунтування, па-
раметри зон гідратонакопичення, а також теплофі-
зичні властивості газових гідратів, пропонується
спосіб розробки газогідратних покладів на основі
технології свердловинного гідровидобутку. Його
особливістю є те, що із покладу пропонується вилу-
чати безпосередньо газогідрат, не витрачаючи енер-
гії на його дисоціацію.
Технологічний процес розробки газогідратних
покладів згідно з цим способом (Рис. 2) включає
наступні операції:
1) розкриття гідратовмісного пласта свердлови-
ною 7 на максимальну протяжність горизонтальними,
а потужних пластів – вертикальними або похило
спрямованими до їх підошви свердловинами;
2) вплив на продуктивний пласт (починаючи від
вибою свердловини) з метою його дезінтеграції при
частковій дисоціації та перекристалізації газогідрату
(внаслідок утворення на короткий час локальних зон
із нерівноважними умовами) в результаті дії затопле-
них струменів високого тиску (потік VІ) за допомо-
гою гідромонітора 6. Причому для збільшення об’єму
виробки штанги з насадками гідромонітора в робо-
чому положенні подовжуються, займають перпенди-
кулярне до осі свердловини положення та, обертаю-
чись навколо неї, рухаються вздовж до контакту з
фронтом дезінтеграції;
3) гравітаційне відділення від утвореної водогід-
ратомінеральної пульпи 2 на деякій відстані за акти-
вною робочою зоною частини мінеральних включень
породи 3 відповідної щільності й фракційного складу;
4) виведення попередньо збагаченої водогідра-
томінеральної пульпи із виробки (потік І) через
пульпозабірник 5, розташований за активною робо-
чою зоною, до сепаратора 9, розташованого на рівні
морського дна;
Рисунок 2. Схема способу розробки морських газогідрат-
них покладів: ВМСГ – верхня межа стабіль-
ності газогідрату; 1 – виробка у гідратонаси-
ченому пласті; 2 – простір у виробці, заповне-
ний водогідратомінеральною пульпою; 3 – осад
породи; 4 – бурове долото; 5 – пульпозабірник;
6 – гідромоніторний пристрій; 7 – свердлови-
на; 8 – насос; 9 – гравітаційний сепаратор;
10 – газозбірний купол; 11 – компресор; 12 –
видобувна платформа; потоки: І – водогідра-
томінеральна пульпа; ІІ – пульпа, збіднена на
газогідрат; ІІІ – “пуста” порода; IV – газ,
що виділився із пульпи в результаті дисоціа-
ції газогідрату; V – водогазогідратна пульпа;
VІ – морська вода
5) відділення від водогідратомінеральної пульпи
(потік І) (під тиском, вищим за рівноважний гідрато-
утворення) у гравітаційному сепараторі 9 “пустої”
породи, яка відкачується насосом 8 на морське дно
або через іншу свердловину – у відпрацьовану виро-
бку (потік ІІІ), та у вигляді фракції, що спливає, –
суміші води і газогідрату (потік V);
6) подачу насосом 8 водогазогідратної пульпи
(потік V) на видобувну платформу;
7) відкачування збідненої пульпи (потік ІІ) під га-
зозбірний купол 10 у море по трубі, відкритий кінець
якої розташований вище верхньої межі стабільності
газогідрату (ВМСГ). При цьому у результаті перебу-
вання деякий час у нерівноважних умовах та теплоо-
бміну з морською водою у збідненій пульпі відбува-
ється дисоціація решти газогідрату на газ і воду;
8) осідання уламків породи на морське дно
(потік ІІІ), накопичення газу під газозбірним купо-
лом 10, його стиснення компресором 11 та подачу до
суміші води і газогідрату (потік V) для зв’язування у
газогідрат.
З метою підвищення ефективності процесу пропо-
нується накопичений під газозбірником газ після ком-
примування подавати в нижню частину шлейфа і змі-
шувати з водогазогідратною пульпою. Термобаричні
умови в шлейфі відповідатимуть умовам стабільності
газогідрату. Поданий газ буде зв’язаний у газогідрат.
М. Pedchenko, L. Pedchenko. (2017). Mining of Mineral Deposits, 11(2), 52-58
57
На видобувній платформі вилучений газогідрат
буде піддаватись підготовці та переробці (відповідно
до технології, запропонованої в роботі (Pedchenko &
Pedchenko, 2012) для подальшого його зберігання
(Pedchenko & Pedchenko, 2015) й транспортування
(Pedchenko & Pedchenko, 2016).
Оскільки, як зазначено в роботі (Kanda, 2006),
устаткування для утворення газогідратів не потребує
особливо унікального обладнання на відміну, напри-
клад, від заводів зрідження природного газу (LNG),
це значно здешевлює NGH-технологію (транспорту-
вання газу у газогідратному стані). Крім того, потуж-
ність ліній із виробництва газогідрату може бути в
4 рази меншою порівняно з лінією виробництва LNG,
без підвищення його собівартості (Gudmundsson,
Parlactuna, & Khokhar, 1994).
Таким чином, запропонований спосіб розробки
газогідратних покладів передбачає наступні етапи:
1) руйнування гідратовмісної породи та її переве-
дення в склад пульпи;
2) попереднє збагачення водогідратомінеральної
пульпи у виробці в результаті осідання частини
породи;
3) відділення від пульпи вільного газогідрату в
гравітаційному сепараторі, розташованому на морсь-
кому дні;
4) виділення зі збідненої пульпи газу у результаті
дисоціації залишку газогідрату при її проходженні
через товщу морської води в інтервалі вище верхньої
межі стабільності газогідрату;
5) зв’язування газу, що виділився, у склад гідрату.
3. ВИСНОВКИ
1. Аналіз процесів свердловинного гідровидобут-
ку, технологічних операцій і послідовності їх здійс-
нення показав перспективність упровадження такого
способу для розробки покладів газових гідратів.
2. Основна ідея запропонованого за результатами
аналізу СГВ способу розробки газогідратних покла-
дів полягає у вилученні максимальної кількості газо-
гідрату із продуктивного пласта без витрати енергії
на фазовий перехід, а дисоціація його залишку, вра-
ховуючи фізичні властивості, здійснюється за раху-
нок низькопотенційної енергії морської води та зміни
її тиску з глибиною.
3. Відпрацювання запропонованого способу роз-
робки покладів газових гідратів потребує проведення
низки експериментальних досліджень.
ВДЯЧНІСТЬ
Дана робота стала можливою завдяки фінансовій
та організаційній підтримці в межах державних бю-
джетних науково-дослідних робіт Міністерства осві-
ти і науки України “Застосування газогідратних тех-
нологій при розробці традиційних і газогідратних
родовищ газу” (№ держреєстрації 0113U00857) та
“Дослідження впливу термодинамічних параметрів
фазових переходів у системах із газовими гідратами
на ефективність газогідратних технологій” (№ держ-
реєстрації 0115U002420).
Автори роботи висловлюють свою подяку керів-
нику даних проектів – доктору технічних наук, про-
фесору, завідувачу кафедри підземної розробки ро-
довищ Національного гірничого університету
(м. Дніпро) Бондаренку Володимиру Іллічу за підт-
римку у проведенні досліджень.
REFERENCES
Arens, V., Babichev, A., Bashkatov, A., Gridin, O., Khrulev, A.,
& Khcheyan, G. (2007). Borehole Hydro-Mining. Proc.
Manual: Mining Book.
Basniev, K., Kul’chitskiy, V., Shchebetov, A., & Nifantov, A.
(2006). Methods for the Development of Gas Hydrate
Deposits. Gas Industry, (7), 22-24.
Beznosikov, A., & Maslov, V. (1975). Influence of Water Ice
Hydrates in the Reservoir on its Permeability. In Proceed-
ings VNIIEGazproma, (8), (pp. 84-89). Moscow: Gazprom.
Bondarenko, V., Sai, K., Ganushevych, K., & Ovchynnikov, M.
(2015). The Results of Gas Hydrates Process Research in
Porous Media. New Developments in Mining Engineering
2015: Theoretical and Practical Solutions of Mineral
Resources Mining, 123-127.
https://doi.org/10.1201/b19901-23
Collett, T.S. (2014). Geologic Implications of Gas Hydrates in the
Offshore of India: Results of the National Gas Hydrate Pro-
gram Expedition 01. Marine and Petroleum Geology, (58), 1-2.
https://doi.org/10.1016/j.marpetgeo.2014.07.020
Gudmundsson, J.-S., Parlaktuna, M., & Khokhar, A.A. (1994).
Storage of Natural Gas as Frozen Hydrate. SPE Production
& Facilities, 9(1), 69-73.
https://doi.org/10.2118/24924-pa
Kanda, H. (2006). Economic Study on Natural Gas Transporta-
tion with Natural Gas Hydrate (NGH) Pellets. In 23rd World
Gas Conference (pp. 1-1). Amsterdam.
Kvenvolden, K.A. (1993). Gas hydrates – Geological Perspective
and Global Change. Reviews of Geophysics, 31(2), 173-187.
https://doi.org/10.1029/93rg00268
Lowrie, A., & Max, M.D. (1999) The Extraordinary Promise and
Challenge of Gas Hydrates. World Oil, 220(9), 49-55.
Pedchenko, L., & Pedchenko, M. (2012). Substantiation of
Method of Formation of Ice Hydrate Blocks with the Pur-
pose of Transporting and Storage of Hydrate Gas. Naukovyi
Visnyk Natsionalnoho Hirnychoho Universytetu, (1), 28-34.
Pedchenko, L., & Pedchenko, М. (2015). Elements of the Tech-
nology of Storage Gases in the Gas Hydrate Form. New De-
velopments in Mining Engineering 2015: Theoretical and
Practical Solutions of Mineral Resources Mining, 509-516.
https://doi.org/10.1201/b19901-87
Pedchenko, М., & Pedchenko, L. (2016). Technological Com-
plex for Production, Transportation and Storage of Gas
from the Offshore Gas and Gas Hydrates Fields. Mining of
Mineral Deposits, 10(3), 20-30.
https://doi.org/10.15407/mining10.03.020
Rehbinder, G. (1980). A Theory about Cutting Rock with
Water Jet. Rock Mechanics, 12(3-4), 247-257.
https://doi.org/10.1007/bf01251028
Shnyukov, E., Gozhik, P., Krayushkin, V., & Klochko, V.
(2007). On the Eve of the World of Submarine Methane
Hydrate Extraction. Reports of National Academy of Sci-
ences of Ukraine, (6), 125-134.
Takahashi, H., & Tsuji, Y. (2004) Japan Explores for Hydrate
in the Nankai Trough. Oil and Gas Journal, (33), 48.
Helgerud, M.B. (2001). Wave Speeds in Gas Hydrate and
Sediments Containing Gas Hydrate: A Laboratory and
Modeling Study. Ph.D. Stanford University.
М. Pedchenko, L. Pedchenko. (2017). Mining of Mineral Deposits, 11(2), 52-58
58
ABSTRACT (IN UKRAINIAN)
Мета. Обґрунтування і розроблення принципової схеми, прийнятної для існуючого рівня техніки, способу
видобування газових гідратів морських родовищ.
Методика. Аналіз властивостей газових гідратів та газогідратних покладів, а також особливостей протікан-
ня технологічних операцій свердловинного гідровидобутку.
Результати. Обґрунтовано основні процеси способу вилучення газогідрату із продуктивного пласта без ви-
трати енергії на фазовий перехід на основі технології свердловинного гідровидобутку.
Наукова новизна. Встановлено та обґрунтовано прояв комплексу чинників у процесі дії затоплених стру-
менів на газогідрат в умовах його природного залягання. Обґрунтовано можливість вилучення газогідрату із
продуктивного пласта без витрати енергії на дисоціацію шляхом створення умов його перекристалізації у ре-
зультаті сумісної дії затоплених струменів морської води і комплексу супутніх процесів. Теоретично обґрунто-
вано фізичні основи процесів збагачення і концентрування газових гідратів у гірничій виробці.
Практична значимість. Запропоновано технологію розробки газогідратних покладів на основі свердловин-
ного гідровидобутку без витрати енергії на фазовий перехід.
Ключові слова: свердловинний гідровидобуток, газогідратний пласт, дисоціація, збагачення, фазовий перехід
ABSTRACT (IN RUSSIAN)
Цель. Обоснование и разработка принципиальной схемы, приемлемой для существующего уровня техники,
способа добычи газовых гидратов морских месторождений.
Методика. Анализ свойств газовых гидратов и газогидратных залежей, а также особенностей протекания
технологических операций скважинной гидродобычи.
Результаты. Обоснованы основные процессы способа извлечения газогидрата из продуктивного пласта без
затрат энергии на фазовый переход на основе технологии скважинной гидродобычи.
Научная новизна. Установлено и обосновано проявление комплекса факторов в процессе действия затоп-
ленных струй на газогидрат в условиях его естественного залегания. Обоснована возможность извлечения газо-
гидрата из продуктивного пласта без затрат энергии на диссоциацию путем создания условий его перекристал-
лизации в результате совместимого действия затопленных струй морской воды и комплекса сопутствующих
процессов. Теоретически обоснованы физические основы процессов обогащения и концентрирования газовых
гидратов в горной выработке.
Практическая значимость. Предложена технология разработки газогидратных залежей на основе скважин-
ной гидродобычи без затрат энергии на фазовый переход.
Ключевые слова: скважинная гидродобыча, газогидратный пласт, диссоциация, обогащение, фазовый переход
ARTICLE INFO
Received: 20 January 2017
Accepted: 30 May 2017
Available online: 30 June 2017
ABOUT AUTHORS
Mykhailo Pedchenko, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of the Department of Oil and Gas Exploita-
tion and Geotechnics, Poltava National Technical Yuri Kondratyuk University, 24 Pershotravnevyi Ave., 1/110,
36011, Poltava, Ukraine. E-mail: pedchenkomm@ukr.net
Larysa Pedchenko, Candidate of Technical Sciences, Senior Instructor of the Department of Oil and Gas Exploitation
and Geotechnics, Poltava National Technical Yuri Kondratyuk University, 24 Pershotravnevyi Ave., 1/110, 36011,
Poltava, Ukraine. E-mail: larysa.pedchenko@gmail.com
|